Метаматеріали були зруйновані для контролю над їхніми властивостями.

«Відмінною рисою метаматеріалів є те, що їх властивості залежать не від хімічного складу каркаса, а від структури, яка організована особливим чином. Через це реакція метаматеріалу на зовнішні впливи також буде специфічною», – зазначає автор дослідження, керівник проекту доцент кафедри механіки деформованого твердого тіла фізико-технічного факультету ТГУ Лінар Ахметшин.

– У рамках експерименту я досліджував матеріали з тетрахіральною структурою. Хіральність – це властивість предмета не накладатися на своє дзеркальне відображення. Хіральна структура надає матеріалу незвичайні властивості. Наприклад, якщо стиснути його по осі Y, то в площині X-Z він буде якимось чином стискатися і скручуватися. Звичайні матеріали так себе не ведуть».

Ще однією, навіть більш цікавою, властивістю метаматеріалів є здатність відхиляти та сповільнювати світло. Від’ємний коефіцієнт заломлення дозволяє приховувати об'єкти в одному з діапазонів електромагнітного випромінювання. Тому в перспективі можуть з'явитися літаки, невидимі для радарів.

Щоб управляти властивостями метаматеріалів, потрібно розуміти, що відбувається при зміні їх структури. Процес відкриття матеріалів тепер також може спиратися на обчислювальні підходи, які дозволяють швидко розрахувати механічні властивості потенційних матеріалів. Проектування структури метаматеріалів ідеально підходить для цифрових методів, які дозволяють швидко та ефективно досліджувати безліч можливих геометричних та структурних рішень і перевіряти їх чисельно.

Вчений ФТФ ТГУ впливав на зразки метаматеріалів шляхом стиснення. Регулярна елементарна комірка метаматеріалу при навантаженні по трьом ортотропним осям не змінювала своїх фізико-механічних властивостей. Різні перетворення комірки (введення топологічних дефектів) призводили до змін властивостей, збільшуючи або зменшуючи ефект.

«Дефект зазвичай сприймається зі знаком мінус, але в моїх дослідженнях це просто інструмент. За його допомогою вдалося отримати ряд нових фундаментальних знань про метаматеріали на фінальному етапі мого дослідження – при стисненні та руйнуванні зразків, надрукованих на 3D-принтері», – пояснює Лінар Ахметшин. – Так, кут повороту у регулярній комірці дорівнює 1,8°. Впроваджений топологічний дефект зменшив кут обертання комірки більш ніж на 60% і помітно підвищив жорсткість матеріалу. При цьому жорсткість комірки з топологічним дефектом змінюється по осі навантаження і стає вищою, коли дефект знаходиться на нижній стороні кубічного зразка».

Точок застосування нових знань про метаматеріали безліч. Наприклад, програмуючи матеріали, можна послаблювати або поглинати енергію коливань – і за рахунок цього створювати ударозахисні конструкції з особливою міцністю. Використання такої властивості, як від’ємне заломлення, дає можливість створювати нові рішення в біомедицині, електроніці та інших сферах.

Грамотне використання метаматеріалів може вивести людство на новий технологічний рівень. Дослідження вченого ТГУ дає нове фундаментальне знання, яке необхідне для програмування у метаматеріалів нових функцій.

Дослідження виконано в рамках стратпроекту «Технології безпеки», підтриманого федеральною програмою «Пріоритет 2030». Результати дослідження представлені в журналі «Вісник ТГУ» (Механіка).